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摘要：应用ADAMS软件和CITIA软件对包装机封盒底凸轮机构进行虚拟样机建模仿真及分析。针对传统的图解法求解凸轮轮廓曲线效率低误差大的不足的问题，首先在ADAMS中建立连杆滑块机构，根据执行件滑块的运动规律，利用反转法和ADAMS的轨迹追踪功能，求得凸轮的轮廓曲线，再借助CATIA软件的三维建模功能，得到槽形凸轮的三维模型，再导入ADAMS中添加约束和驱动对机构进行仿真分析。将测量得到的执行件的位移、速度、加速度曲线与理论值对比，结果表明此方法求解出的凸轮轮廓满足轨迹要求，且误差很小。通过添加接触力模拟凸轮实际受力情况，测量得到最大驱动力矩为3 057 N·mm，稳定运行后驱动力矩为810 N·mm，为包装机封盒底机构后续进行动力学分析提供了参考。提出的凸轮机构轮廓曲线求解方法同样适用于其他轨迹要求的设计，为方便、快捷、高精度地设计凸轮轮廓曲线找到一种新的方法。
关键词：ADAMS,CATIA,封盒底机构,凸轮轮廓,反转法
Simulation and Analysis of Bottom Sealing Mechanism of Packaging Machine Based on ADAMS
Xi Xiaoyan，Chen Ruomeng，Liu Xiaowen，Zhang Jutao，Jia Desuo
(Key Lab of Intelligent Equipment Digital Design and Process Simulation,Hebei Province//Tangshan University,Tangshan,Hebei 063000,China)
Abstract:The virtual prototype of the bottom sealing mechanism of packaging machine was modeled,simulated and analyzed based on ADAMS and CATIA.In view of the low efficiency and large error of the traditional graphic method in solving the cam contour curve,the cam contour curve was obtained by using the inversion method and the create trace spline function of ADAMS,with the help of the three-dimensional modeling function of CATIA software,the three-dimensional model of the grooved cam was obtained,and then imported into ADAMS to add constraints and drives for the simulation analysis of the mechanism.The displacement,velocity and acceleration curves of the actuator were obtained by simulation.The comparison with the theoretical values showed that the calculated cam contour met the trajectory requirements and the error was very small.The cam contour solution method was suitable for the design of other trajectory requirements.By adding the contact force to simulate the actual stress of the cam,the measured maximum driving torque was 3 057 N·mm,and the driving torque after stable operation was 810 N·mm.It provided a reference for the follow-up dynamic analysis of the bottom mechanism of the packaging machine.The proposed method for solving the contour curve of cam mechanism was also applicable to the design of other track requirements.A new method was found for designing the contour curve of cam mechanism conveniently,quickly and accurately.
Key words:ADAMS;CATIA;bottom sealing mechanism of packaging machine;cam profile curve;inversion method
0引言
在自动化包装机中，封盒底机构是自动包装机的重要组成部分，其设计和运行的稳定性决定了机器的稳定性，在自动包装机设计中起着关键作用[1]。根据包装机封盒底机构工艺要求，执行封盒底机构需要按照某种平面曲线轨迹运动，并要求在工作过程中应接近匀速，以保证封盒底机构运行过程平稳、无冲击，这种机构通常包含凸轮机构，传统的凸轮设计利用图解法求解，误差较大，很难精确设计机构并保证其合理性，即使得到了特定运动轨迹下的凸轮轮廓曲线，但如果一旦运动规律发生变化，所有的计算都需要重新设计，这样大大影响了产品的设计周期和市场竞争力。文献[2-5]用CAD、Solidwork、Pro/E等三维软件建立并求解凸轮轮廓曲线。文献[6]用NURBS曲线方法设计凸轮型线；文献[7-9]分别用多项式拟合、数值模拟、遗传算法等理论计算方法求解凸轮轮廓曲线，公式复杂、计算量大，不适合工程技术人员。ADAMS软件是一款多体动力学仿真软件，被广泛应用于机构的设计和仿真中，文献[10]基于ADAMS对门式起重机大车运行机构进行了动力学分析。文献[11]在已知推杆运动规律时采用ADAMS软件直接创建凸轮并对端面凸轮下压机构进行仿真分析。
考虑到包装机封盒底机构是摇杆滑块机构和凸轮机构的组合机构，其中滑块为执行件，凸轮为从动件，其运动规律不能直接得到，因此本文采用ADAMS软件，利用反转法和ADAMS软件的Create Trace Spline(轨迹追踪)功能求取凸轮的轮廓曲线，采用CATIA软件对封盒底机构进行虚拟样机三维建模并进行仿真及运动学分析，获得滚子之间的接触力和凸轮回转中心的驱动力矩。为后续进行动力学分析提供了参考。本文方法为方便、快捷、高精度地设计凸轮轮廓曲线找到一种新的方法。
1封盒底机构虚拟样机模型建立
封盒底机构可以简化为如图1所示的运动简图[12]，该机构主要是通过凸轮机构和摇杆滑块机构串联组成，通过凸轮绕着凸轮轴旋转，带动凸轮滚子运动，通过连杆2带动连杆1，连杆1与滑块连接在轨道上作往复直线运动，完成自动包装机的封盒底操作。该机构结构简单，槽型凸轮于滚子之间配合紧密，在减少布置空间的同时，可以使运动更稳定，加上凸轮机构具有急回特性，既能在封盒底正常工作的时候提供稳定的力和运动，又能在不做机构操作的时候快速复位，可以大大减少轨迹周期，提高工作效率。
已知LAB=30 cm，LBC=50 cm，LCD=30 cm，滑块行程为155 mm，根据设计参数，通过ADAMS的View模块进行摇杆滑块机构的建模，并在各杆、滑块和大地之间添加相应的转动副和移动副，建好的模型如图2所示。为确定凸轮轮廓曲线，在建立起来的连杆机构基础上创建凸轮，在连杆摇杆滑块机构基础上添加滚子和回转中心，如图3所示，根据封盒底机构原理可以了解，滑块的运动为往复运动，在工作过程中，滑块在工作时候需要匀速稳定操作，在回程过程中快速回程，根据运动关系对滑块添加移动约束并添加Motion函数，该函数可以使滑块走出一个往复运动轨迹：
STEP(time，0，0，20，0)+STEP(time，20，0，30，155)+STEP(time，30，0，50，0)+STEP(time，50，155，60，0)
根据反转法，凸轮不动，滚子按照预定轨迹运动，绕回转中心旋转一周，凸轮的理论轮廓曲线就是滚子中心走过的曲线。在添加相应的约束后，根据滚子中心曲线的距离与时间的关系，建立凸轮旋转角度与时间的关系，生成SPLINE样条曲线，通过插值函数CUBSPL把其写入到滚子和回转中心的Motion函数中，设置仿真时间和步长进行仿真，让滚子绕回转中心回转一周，模拟一次凸轮转动一周轮廓曲线距离回转中心各个时刻的距离，利用ADAMS的Review菜单下的Create Trace Spline命令，就将滚子中心转动一周的轨迹显示出来，完成凸轮轮廓曲线建立。如图4所示。
由于ADAMS软件的建模功能比较薄弱，因此借助CATIA软件进行槽型凸轮创建，将生成的凸轮轮廓曲线导入CATIA软件并生成槽型凸轮，再将槽型凸轮导入ADAMS软件中添加相应的约束和驱动，得到机构的虚拟样机模型如图5所示。
2机构仿真分析
根据设计要求，滑块理想的位移、速度、加速度曲线如图6~8所示，由Motion函数实现。
为了求解凸轮，前面以Motion函数驱动滑块机构使滑块按照设计轨迹运行是理想状态下的位移、速度、加速度曲线，求解出凸轮轮廓后，在图5模型基础上删除Motion函数，添加凸轮副，再添加驱动后对机构进行仿真，得到的实际的位移、速度、加速度曲线与理想曲线相比较。得到的曲线如图9~11所示。图中实线部分为理想机构滑块运动曲线图，虚线为反求凸轮机构滑块运动曲线图，对比可以看出，通过反求法得到的机构的运动曲线与理想机构的运动曲线比较吻合，符合凸轮设计原理和预期效果，满足设计需求。
封盒底机构在工作过程中，凸轮和滚子之间的约束是采用的理想凸轮副，并未考虑实际的接触碰撞力，考虑凸轮与滚子之间的接触力，将理想的凸轮副替换为接触力，刚度为105 N/mm，穿透深度为0.1 mm，阻尼为10.0 N/(mm⋅s-1)，对机构进行仿真，测量得到接触力3个方向的大小如图12~14所示，接触力都是在刚启动阶段比较大，稳定运行后接触力相对较小，其中Y方向接触力最小，Z方向接触力最大。图15为稳定运行后凸轮滚子接触力幅值曲线图，最大接触力为6.7 N，说明求得的凸轮轮廓线精度较高，用此方法求得的凸轮能很好地满足使用要求。
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